1.3 Патентный обзор экструдеров

Существует широкий спектр конструкций и патентов на оборудование для приготовления экструдированных кормов.

Экструдер (рисунок 1.7) может применяться для приготовления белкового корма, а именно подсолнечного жмыха в сыпучем виде .

Преимущество экструдера в том, что он небольшой и не содержат металла, но он не подходит для приготовления сыпучей белковой муки, т.е. подсолнечного жмыха.

Техническим результатом изобретения является повышение функциональности.

Рисунок 1.7 – Экструдер для приготовления белкового корма по пат. 2693072 РФ:

1 – загрузочная воронка; 2 – корпус; 3 – шнек прессующий; 4 – коническая головка; 5 – шнек подающий; 6 – секции

Экструдер состоит из бункера, ствола с прессом с конической головкой и подающего шнека. Шнек имеет линейную геликоидальную навивку с последовательно соединенными катеноидальными секциями, а вершина конической головки выполнена параболической. Каждая секция шнека имеет не более двухлинейных геликоидальных витков с шагом, равным среднему размеру семян основной культуры, причем стыки каждой секции выполнены параболической формы, плюс втулка за конической головкой прессующего шнека на выходе и ширина секции прессующего шнека равна ширине секции подающего шнека.

Работает экструдер следующим образом. Запускают экструдер, при этом подающий шнек 5 забирает ворох семян подсолнечника вместе с фрагментами корзинок и стеблей из загрузочной воронки 1. Далее масса захватывается прессующим шнеком 3, уплотняется и перемещается к зазору, образованному между конической головкой 4 и втулкой 7 через который выходит подсолнечный жмых в сыпучем виде.

Пресс-экструдер для переработки зерновой смеси (рисунок 1.7) состоит из цилиндрического корпуса 1 с загрузочным бункером 2. Внутри корпуса 1 установлен цилиндрический шнек 3. На торце цилиндра 1, установлена матрица 4 с регулируемой фильерой .

Рисунок 1.8 – Пресс-экструдер по пат. 2686439 РФ:

1 – цилиндрический корпус; 2 – бункер; 3 – цилиндрический шнек; 4 – матрица;5 – ребра

С внутренней стороны цилиндрического корпуса 1 выполнены продольные ребра 5 Для повышения производительности ребра 5 в зоне загрузки выполнены с наклонными вырезами (скос ребер) совпадает с направлением вращения шнека, направлен в сторону основного потока.

В зоне пластификации ребра 5 выполнены с наклонными вырезами со скосом направленным противоположно направлению вращения шнека, т.е. противоположно основному потоку экструдата, что способствует увеличению объема обратного потока и степени декстринизации зерна, то есть повышает качество готового продукта.

Принцип действия экструдера заключается в следующем. Бункер 2 заполняют зерновой смесью, затем запускают привод пресс-экструдера. В процессе работы смесь захватывается витками шнека 3 и перемещается из зоны загрузки в зону пластификации и далее к выходному отверстию матрицы 4. По мере продвижения смеси в цилиндре пресс-экструдера за счет сил трения создается давление в экструдате. Величина давления регулируется изменением величины выходного отверстия матрицы 4 .

Пресс-экструдер для переработки зернобобовых культур (рисунок 1.9) состоит из корпуса 1, загрузочного бункера 2, шнека с изменяющимся диаметром 3. Шнек установлен в полости корпуса. На торце корпуса имеется конусная насадка 4. На конце шнека имеются продольные ребра ромбовидной формы 5, установленые в шахматном порядке с отверстия 6 для беспрепятственного стока отжимаемой жидкости. Корпус имеет зоны подачи 7 и пластификации 8 зерновой смеси и выполнен в виде усеченного конуса, диаметр которого уменьшается по направлению вращения шнека, увеличивающегося в диаметре по направлению своего вращения, при этом шаг навивки уменьшается по всей его длине. Работа заключается в следующем .

При заполнении загрузочного бункера 2 исходной зерновой смесью включается привод пресс-экструдера. При вращательном движении шнека 3 смесь захватывается его витками и перемещается из зоны 7 подачи в зону 8 пластификации и далее к выходному отверстию конусной насадки 4. По мере продвижения смеси в корпусе пресс-экструдера за счет сил трения, обусловленных уменьшающимися шагом навивки шнека 3 и диаметром корпуса 1, создается давление в экструдате. Также величина давления регулируется изменением величины выходного отверстия конусной насадки 4.

Недостатками данной конструкции экструдера являются высокая энергоемкость процесса и недостаточная степень декстринизации зерна (качество конечного продукта).

Экструдер (рисунок 1.10) содержит подшипниковый узел 1, загрузочную воронку 2, разъемные корпуса шнековой камеры 3, привод 4, формующую головку 5, шнек 6 с витками 7, выполненными с возможностью осевого перемещения в зонах загрузки и транспортирования, посредством вращения резьбового вала 8 приводного механизма 9, расположенного в теле шнека 6. На резьбовом валу 8 расположены втулки 10 с установленными пальцами 11. Пальцы 11 совершают движение по направляющим 12, выполненным в теле шнека 6, и соединены с витками шнека 7 .

Рисунок 1.9 – Пресс–экструдер для переработки зернобобовых культур

по пат. 2734521 РФ:

1 – корпус; 2 – бункер; 3 – шнек; 4 – насадка; 5 – ребра: 6 – отверстия; 7 – зона подачи; 8 – зона пластификации

Рисунок 1.10 – Экструдер шнековый по пат. 2 548 980 РФ:

1– подшипниковый узел; 2 – загрузочная воронка; 3 –разъемный корпус шнековой камеры; 4 – привод; 5–формующая головка; 6 – шнек; 7 – витки; 8 – резьбовой вал; 9 – приводной механизм; 10 – втулки; 11 – пальцы; 12 – направляющие

Экструдер для приготовления комбикормов (рисунок 1.11) состоит из корпуса 1 с загрузочной воронкой 2, температурной камеры 3 для дополнительного подогрева смеси. Внутри корпуса 1 на приводном валу 4 жестко закреплены (например, шпонками) участки шнека с подающими лопастями 5, с прессующими лопастями 7 и эксцентриковый элемент 6, состоящий из нескольких участков (например, три участка) с эксцентричной нарезкой лопастей, эксцентриситеты расположены под углом друг к другу (например, расположены под углом φ=120° для трех участков эксцентрикового элемента 6) .

Рисунок 1.11 – Экструдер для приготовления комбикормов по пат. 2 595 160 РФ:

1 – корпус; 2 – загрузочная воронка; 3 – температурная камера; 4 – приводной вал; 5 – подающие лопасти; 6 – эксцентриковый элемент; 7 – прессующие лопасти; 8 – наконечник; 9 – фланец; 10 – гайка; 11 – подшипниковый узел; 12 – подшипник; 13 - крышка

На конце приводного вала 4 установлен наконечник 8 (например, посредством резьбового соединения). Наконечник 8 выполнен в виде продолжения вала с диаметром, равным диаметру вала 4. Конец наконечника 8 находится вне корпуса 1. Наконечник 8 зажимает участки шнека 5, 6, 7 на приводном валу 4. На выходе из корпуса 1 закреплено устройство для выгрузки экструдата, включающее фланец 9, гайку 10, подшипниковый узел 11, подшипник 12, крышку 13. На внутренней поверхности фланца 9 нарезана резьба, в которую вкручена гайка 10. Гайка 10 имеет отверстие, в которое вставлен наконечник 8, тем самым образован радиальный зазор для выхода экструата. Зазор между гайкой 10 и наконечником 8 регулируют вращением гайки 10. В подшипниковый узел 11 устанавливают подшипник 12, в который вставляют наконечник шнека 8. Подшипник 12 закрывают в подшипниковом корпусе 11 с помощью крышки 13.

Внутренняя поверхность корпуса 1 может быть выполнена с рифлями с различной геометрией (например, винтовые рифли) для увеличения скорости пластификации смеси.

Экструдер для приготовления комбикормов работает следующим образом.

Многокомпонентная сыпучая смесь (пшеница, ячмень, горох, жмых, мелкоизмельченная солома и т.п.) подается в загрузочную воронку 2 и попадает внутрь корпуса 1. Смесь захватывается подающими лопастями 5 и транспортируется на эксцентриковый элемент 6, где происходит интенсивное размалывание, перемешивание, повышение давления, нагрев, пластификация. Это происходит за счет того, что эксцентриситеты лопастей участков шнека с эксцентричной нарезкой лопастей расположены под углом друг к другу. Далее смесь поступает на прессующие лопасти 7 и выходит через устройство для выгрузки экструдата в зазор между гайкой 10 и наконечником 8.

Во время движения смеси в экструдере происходит ее дополнительный подогрев посредством температурной камеры 3, что снижает время приготовления экструдата и выхода экструдера на рабочий режим.

Использование нескольких участков с эксцентричной нарезкой лопастей позволяет создать периодически изменяющуюся по величине нагрузку на смесь. При повороте шнека часть смеси попадает в зону эксцентрика, где происходит сжатие смеси. При дальнейшем повороте шнека силы сжатия уменьшаются. Лопасти шнека проталкивают смесь на следующий его участок с эксцентриковой нарезкой лопастей, где процесс продолжается. Многократное повторение процесса «сжатия-разжатия» обеспечивает интенсивную пластификацию и перемешивания смеси.

Кроме того, при расположении эксцентриситетов лопастей участков эксцентрикового элемента под равными углами (например, это угол φ=120° при наличии трех участков эксцентрикового элемента) уменьшается вредное воздействие от эксцентрично вращающихся масс.

Условия в экструдере расщепляют крахмал в комбикорме до моносахаридов и денатурируют белки, тем самым улучшая усвоение корма животными. Благодаря нагреву до высоких температур комбикорм в процессе экструзии кипятится, уничтожая вредные бактерии, кишечную палочку и плесневые организмы и обеспечивая гигиену корма. Высокое сжатие сырья эксцентриковыми питательными элементами сокращает время обработки и практически полностью сохраняет витамины и аминокислоты.

Как только экструдированный продукт выходит наружу, давление быстро падает до атмосферного, жидкость мгновенно испаряется, и продукт расширяется, облегчая доступ к нему ферментов желудка животного.

Повышение интенсивности смешивания, пластификации, непрерывной транспортировки, переменной загрузки и уплотнения смеси может улучшить качество комбикорма и надежность работы экструдера.

В результате теоретических исследований температуры экструдата и длины шнека были получены следующие результаты:

Таблица 1.1

Результаты теоретических исследований температуры экструдата

и длины шнека

, °С	10	20	30	40	50
L, мм	100	102	104	106	108

Методом наименьших квадратов определили параметры линейной зависимости сопротивления экструдата при гранулировании от температуры.

Таблица 1.2

Обработка теоретических исследований температуры экструдата

и длины шнека

							Σ
, °С	10	20	30	40	50	150
L, мм	100	102	104	106	108	520
iLi	1000	2040	3120	4240	5400	15800
t2i	100	400	900	1600	2500	5500

Математическая обработка полученных результатов сводится к линейной аппроксимации зависимости L = f(θ), т.е. к определению коэффициентов A₀ и A₁ в уравнении: L = A₀ + A₁ θ.

Для определения коэффициентов решили систему уравнений

где n – количество экспериментальных точек

Получим:

подставляем в уравнение (2)

Подставив в уравнение (1), получим:

Получим следующую зависимость:

Рисунок 1.12 – График зависимости длины от температуры

Выводы по разделу:

В результате проведенного анализа существующих конструкций экструдеров и патентного обзора устройств можно сделать вывод, что основной их недостаток – это большие затраты энергии и низкая производительность.

Кроме того, к недостаткам можно отнести нестабильную подачу и уплотнение смеси в зонах размалывающего конуса и пластификатора и низкое качество перемешивания, что отрицательно влияет на качество экструдата и надежность работы.